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Stellio

schlaich bergermann partner

Ausgewählte Einreichung
'Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2019'
sbp sonne gmbh

Erläuterungsbericht zur Einreichung beim 'Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2019' von sbp sonne gmbh

Aufgabenstellung
Seit Juni 2017 testet sbp sonne auf einem Versuchsfeld in Jülich vier Heliostaten einer Vorserie des Stellio-Heliostaten. Das Versuchskraftwerk dient der Erprobung und weiteren Verbesserung der solarthermischen Turm-Kraftwerkstechnologie und ihrer Komponenten. Getestet werden die Struktur, Antriebe und die Steuerung und deren Abstimmung untereinander. Die Heliostaten werden getestet, bevor Tausende Exemplare in Serie gefertigt werden. Die Erkennisse sollen in Detailverbesserungen für die Serie einfließen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Die Stellio-Heliostattechnologie wurde vom Stellio-Konsortium, bestehend aus sbp sonne, Ingemetal Solar (Spanien) und Masermic (Spanien) gemeinsam entwickelt.

 

Solarthermische Kraftwerke wandeln Sonnenenergie in elektrische Energie um. Durch die Verwendung kostengünstiger thermischer Hochtemperaturspeicher kann ihr Strom dann ins Netz eingespeist werden, wenn er benötigt wird, auch abends oder nachts. Typischerweise sind die Speicher so dimensioniert, dass das Kraftwerk acht bis zehn Stunden lang auch ohne Sonnenlicht seine Nennleistung abgeben kann. Von Turm-Solarkraftwerken versprechen sich viele Experten die niedrigsten Stromgestehungskosten für solarthermische Kraftwerke. Bei den Turm-Solarkraftwerken reflektieren tausende zweiachsig dem Lauf der Sonne nachgeführte Spiegel, sogenannte Heliostaten, die direkte Solarstrahlung auf einen zentral auf einem Turm angebrachten Receiver. Dort wird die Strahlungsenergie in Wärme von knapp 600 °C umgewandelt und an ein Wärmeträgermedium (meist flüssiges Salz) übertragen. Die Wärme wird gespeichert und damit bei Bedarf eine Dampfturbine angetrieben. Die Heliostaten stellen sowohl unter technischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten die wichtigste Komponente von Turm-Solarkraftwerken dar.

Lösungsweg
„Stellio“, das aktuellste von sbp entwickelte Heliostatdesign, zielt auf nachhaltige Kostenreduktion sowie eine verbesserte Leistung besonders im Bereich der Großkraftwerke ab. Beim derzeit (November 2018) im Bau befindlichen Kraftwerk ‚Hami‘ in China werden etwa 15.000 Stellio Heliostaten aufgebaut. 2019 soll mit dem Bau der größeren ‚Redstone‘-Anlage in Südafrika begonnen werden, dort umfasst das Heliostatenfeld etwa 22.000 Stellios. Kosten und Leistung der Heliostatenfelder sind entscheidend für die Wirtschaftlichkeit solcher Kraftwerke.

Anstelle der althergebrachten Konstruktion für Heliostaten mit zentralem Biegeträger, Auslegern und Pfetten und dem resultierenden langen Lastweg mit großen Verformungen an den Ecken wurde für den Stellio eine „regenschirmartige“ Tragstruktur gewählt, die durch höhere Steifigkeit – und damit höherer optischer Qualität – und kleineren Verformungen sowie geringerer Schwingungsanregung durch Wind gekennzeichnet ist. Die zentrale Nabe besteht aus einer geschweißten Stahlkonstruktion aus Blechen mit Stärken zwischen
etwa 10 und 14 mm. Die Fachwerkarme sind aus Quadrathohlprofilen 40 x 40 x 1 mm geschweißt. Um die hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit bei minimalem Materialeinsatz zu erreichen, werden die Verformungen von Struktur und Antriebseinheit für alle relevanten Positionen vorberechnet und dann durch die lokale Heliostatsteuerung kompensiert. So ersetzt tausendfach replizierte Software teuren Stahl. Die Tragstruktur besteht aus verzinktem Stahl, die Spiegel bestehen aus rückseiten-versilbertem 4 Millimeter Solarglas. Es wurde eine geneigte Antriebsachsenanordnung entwickelt, welche die Verwendung von kostenoptimierten und standardisierten Linearantrieben erlaubt, wo sonst mindestens für eine Achse ein teurer Schwenkantrieb eingesetzt wird.

Stellios Größe und seine kompakte, rundliche Form stellen ein ausgewogenes Konzept dar, um Kosten zu reduzieren und die Leistung zu verbessern. Der beinahe kreisförmige Konzentrator minimiert gegenseitiges Verschatten und Blockieren und kann kostengünstig auf Fertigungslehren sehr präzise hergestellt werden. Der Entwurf beinhaltet standardisierte Glaspaneele, deren Format die Standardgröße der Floatglasscheiben berücksichtigt, so dass praktisch kein Verschnitt entsteht. Die fünfeckige Form mit optimierter Größe reduziert Verluste, die sonst durch den optischen Effekt des Astigmatismus hervorgerufen würden.
Der Fortschritt der Heliostat-Technologie durch die Einführung von geneigten Antriebsachsen und intelligenten Steuerungssystemen im Verbund mit dem neuen rotationssymmetrischen Entwurf resultiert in einer vormals unerreichten optischen Präzision für einen Heliostaten in kommerziell relevanter Größe. Ein Indikator für Kosteneinsparungen durch die fortschrittliche Technologie sind die spezifischen Solarfeldkosten nahe 100 € pro Quadratmeter dar; dies bedeutet eine Reduzierung der Stromgestehungskosten um über 20 Prozent (15 Prozent durch Reduktion der Heliostatkosten und fünf Prozent durch Reduktion der Spie gelfl äche durch höhere Effi zienz) verglichen mit den aktuell konkurrenzfähigsten Heliostatmodellen.

Zusammenfassung
Die Testergebnisse werden kontinuierlich ausgewertet und fließen in die Weiterentwicklung unserer Technologie. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dazu eingesetzt, alle Komponenten zu optimieren und noch besser aufeinander abzustimmen, um sie anschließend in den sonnenreichen Ländern der Erde, wie Spanien, China, Marokko, Chile und Südafrika kommerziell einzusetzen. Durch die Vorserientests können kostspielige zeitliche Verzögerungen und Leistungseinbußen bei kommerziellen Projekten vermieden und gleichzeitig die solaren Erträge der späteren Anlagen maximiert werden. Spätestens nach Abschluss des Testprogramms wird Stellio weltweit der am besten vermessene und charakterisierte Heliostat auf dem Markt sein. Die genaue Kenntnis seiner Eigenschaften und die Beriebserfahrungen der kommerziellen Projekte wie Hami bedeutet eine hohe Sicherheit für Eigner und Finanzierer weiterer Kraftwerksprojekte, wodurch Risikozuschläge reduziert und somit die Kosten für umweltverträgliche, zuverlässig und planbar bereitgestellte elektrische Energie weiter sinken.

Fertigstellung
2017
Ingenieur
Markus Balz sbp sonne gmbh